Руководителям Обзоры, аналитика Светотехника Конструирование

5 ноября

Выбор оптики для светодиодов

Статья посвящена оптическим элементам и системам для светодиодных источников света. Даны определения основным параметрам оптических устройств. Рассмотрены основные особенности различных типов оптических элементов, а также приведены примеры их использования.

ри проектировании светодиодных источников света всегда возникает вопрос о выборе его оптических характеристик. Как это всегда бывает на заре развития технологии, и светодиодная техника не является исключением, подобрать лучшие компоненты для удовлетворения предъявляемым требованиям может оказаться непросто. Главная причина заключается в том, что нет или не хватает стандартов. В результате между производителями возникают разногласия в трактовке параметров, что в свою очередь приводит к выбору неподходящего или не самого оптимального элемента.
Ввиду указанных причин очень важно однозначно понимать такие характеристики, как ширина угла половинной яркости (FWHM — full-width-at-half-maximum), опти­ческая эффективность, материалы и жизненный цикл изделия, чтобы потребителям было проще понять, для каких задач лучше использовать тот или иной элемент, а также как правильно сделать выбор.

 

Оптическая эффективность

Оптическая эффективность элемента обычно определяется путем сопоставления выходного и входного светового потока, проходящего через заданные оптические поверхности.
Пусть у нас есть светодиод с коллиматорной линзой (см. рис. 1).

Рис. 1. Измерение оптической эффективности в фотометрическом шаре

С помощью фотометрической сферы измерим общий световой поток, испускаемый светодиодом. Затем положим исследуемую линзу на светодиод так, чтобы она покрывала все поверхности кроме излучающей. Ее завесим черным поглощающим цилиндром. Проведем повторный замер светового потока. Эффективность линзы равна отношению двух измеренных потоков, умноженному на 100, чтобы получить результат в процентах.
По значению эффективности можно судить о качестве оптической системы с точки зрения способности удерживать свет. К примеру, для хороших линз этот показатель достигает 91%. Однако опираться полностью только на значение эффективности не стоит, поскольку этот параметр не дает информации о том, сколько света проходит через требуемую площадь или угол. Другими словами, нельзя выделить «полезную» эффективность элемента. Для ее определения необходимо измерить другие параметры.

 

Кривая распределения силы света

В осветительной технике очень важно оценивать общую форму кривой распределения силы света (или КСС). Эта кривая обычно строится в плоскости декартовых или полярных координат. Она характеризует систему в целом и дает представление о работе оптического элемента. Например, она показывает, насколько узконаправлен луч света, будут ли затененные области или какова относительная интенсивность в направлении 0° по отношению к интенсивности при угле 30°. Для симметричной оптики, когда пик светового потока приходится на середину кривой распределения света, угол половинной яркости (FWHM) определяется как угол, при котором интенсивность освещения падает на 50% от максимального значения. Многие производители измеряют также 10% значение, то есть угол, при котором освещение падает до 10% от максимального значения. Это чрезвычайно полезный параметр, особенно для светодиодов с очень узкой областью распределения света. Чем ближе уровни 10% и 50% пикового значения, тем более сфокусирован луч света и тем в меньшей степени он рассеивается на другие области пространства.
Может возникнуть вопрос, почему надо использовать два уровня, 10% и 50%, почему только FWHM недостаточно? Причина заключается в том, что значение FWHM само по себе неоднозначно. Следовательно, использование этого параметра может привести к неверным результатам.
Рассмотрим пример. Пусть у нас есть две линзы (см. рис. 2).

Рис. 2. Кривые распределения двух различных линз

Допустим, линза А имеет относительно плохую оптическую эффективность и, кроме того, сравнительно большая доля света рассеивается за пределы центральной части луча, то есть уровень 10% пикового значения имеет широкий угол. В этом случае форма кривой пространственного распределения силы света имеет характерный вид, когда не наблюдается пика посредине, но форма холма сохраняется. Измерив ширину на половине высоты пика, получаем ± 5°.
Допустим, у линзы В очень высокая оптическая эффективность и точно сфокусированный луч так, что значение 10% имеет малый угол. Как видно из рисунка 2, кривая распределения света для линзы В имеет очень высокий максимум. Однако несмотря на разницу кривых, значение угла FWHM у них одинаково. Как это получается? Совмещая абсолютные (не относительные) кривые для линз А и В, получаем, что линза В дает в 5 раз больше света, чем линза А, а величины углов на расстоянии половинной яркости у них совпадают. Следовательно, нельзя сравнивать линзы только по этому параметру, поскольку он не дает информации о том, сколько света распределяется под определенным углом или на определенной площади. Для объективной оценки нужен еще один параметр, например, ширина пика на уровне 10% от максимального светового
потока.

Величина кд/лм

Получив значение оптической эффективности, ширины пика на уровнях 50% и 10% от максимального потока, а также отношение кд/лм, можно полагать, что система полностью охарактеризована. Кандела на люмен (кд/лм) — это очень важная величина, поскольку она характеризует абсолютную высоту пика на кривой распределения света. Другими словами, она позволяет сравнить кривые распределения нескольких оптических систем на одной шкале, чтобы выбрать ту, которая имеет самый высокий пик в заданном направлении. Однако следует помнить, что показатель кд/лм всегда рассматривается в контексте с другими параметрами, о которых мы говорили, поскольку этим отношением сравнительно легко манипулировать так, чтобы сделать его выше, однако при этом непременно портятся эффективность и форма кривой распределения. Есть много примеров, когда светодиод очень ярко освещает центр помещения, а остальные области затенены.

 

Файлы IES и EULUMDAT

Традиционно в осветительной промышленности для характеристики продуктов составляются файлы в формате IES или EULUMDAT. По запросу эти файлы предоставляются и на оптические элементы для светодиодов. По сути, эти файлы представляют собой оцифрованные версии кривых распределения света, которые мы рассматривали выше. Они содержат всю необходимую информацию: эффективность, ширина пика на уровне FWHM и 10%, отношение кд/лм и т.п.
Следует помнить, что запрашивать лучше измеренные данные с указанием используемых элементов и методов измерения, а не моделированные результаты. К сожалению, некоторые компании работают только с теоретическими данными. В некоторых случаях это позволяет получить более хорошие характеристики и ввести разработчиков в заблуждение.

 

Пластиковые материалы

Чрезвычайно важно использовать только те оптические элементы, которые изготовлены из качественных пластиковых материалов и имеют все необходимые документы. В обычных приложениях рекомендуется использовать материалы для автомобильных или медицинских систем, такие как PMMA (акриловый материал) и PC (поликарбонат). Эти материалы хорошо проверены и документированы, имеют высокую долговечность и не изменяют характеристики в течение срока службы. Они могут работать 10—20 лет непрерывно. Неспециализированные материалы не могут выдержать тех условий, которые создаются внутри источника света: УФ излучение светодиодов, прямое воздействие солнечного света, влажность и т.д. Если пластик некачественный, связи в молекулах разрушаются, что изменяет взаимодействие между ними и характеристики вещества.
Очевидно, не стоит использовать и дешевые линзы из полистирола или SAN (Styrene Acryl Nitride) и других подобных материалов. Еще один важный тип оптических устройств — пластмассовый отражатель с металлическим напылением и защитным элементом, предохраняющим его от воздействия окружающей среды. Для всех этих дешевых материалов характерен их малый вес по сравнению с PMMA или РС. Этим же объясняется и низкая цена за килограмм. Кроме того, они имеют высокую скорость формовки. Очень часто изначальная низкая цена может оказаться обманчивой при долгосрочном использовании — линзы желтеют, мутнеют, или металлическое покрытие становится матовым, и эффективность и цвет света изменяются. Кроме того, оптические характеристики таких линз обычно хуже, чем у аналогичных устройств, изготовленных из более качественных материалов, в том числе из-за низкого качества материалов формовки.

 

Особенности светодиодной оптики

Многие компании производят так называемые оптические линзы общего назначения, которые подходят для различных типов светодиодов и регулируются только по высоте, чтобы попасть в фокальную плоскость. При использовании этих линз в источниках света, имеющих не такую структуру, на которую они были изначально рассчитаны, их характеристики портятся. В лучшем случае ухудшается только эффективность, отношение кд/лм и изменяется форма кривой распределения. Хотя на первый взгляд может показаться, что они светят хорошо. Степень ухудшения характеристик зависит от того, насколько сильно отличается данный осветительный прибор от того, для которого линза была предназначена. Невозможно создать оптическую систему, подходящую для абсолютно всех типов светодиодов (см. рис. 3).

Рис. 3. Разнообразие светодиодных источников света

Единственный оправданный способ изготовления оптики — разрабатывать ее отдельно для каждого источника света. Конечно, это более дорогостоящий путь, поскольку инструменты для изготовления инжекционных оптических форм очень дороги, а время проектирование велико, однако только в этом случае будет достигнуто наибольшее значение кд/лм, а эффективность источника света превысит 90%.

 

Отличия между линзами разных типов

В первом приближении можно сказать, что чем проще и более регулируемо требуемое распределение света, тем лучше характеристики источника света. На практике часто чисто коллиматорная линза имеет самые лучшие характеристики. Изготавливая оптические версии того же коллиматора, но, например, заменяя верхнюю поверхность, мы рискуем снизить эффективность источника, причем степень ухудшения зависит от сложности замены и качества обработки измененных поверхностей на станке. В худшем случае потери могут быть ощутимыми, и эффективность падает на 10—15%.
Высокий уровень эффективности (выше 90%) можно достичь, с помощью линз LEDIL’s STRADA. Однако чем сложнее оптический элемент, тем ниже его эффективность. Таким образом, сравнивать можно только оптические устройства одного типа и размера, в противном случае результаты будут необъективными.

 

Размер оптики имеет значение

В общем случае чем больше оптический элемент, тем более высокая у него точность и лучше характеристики (см. рис. 4).

Рис. 4. Различие в форме луча у линз с разным диаметром

Однако важно понимать, что крупногабаритные элементы стоят дороже, и во многих приложениях преимущество светодиодов заключается как раз в уменьшении размера источника света или, наоборот, освобождении дополнительного места для других компонентов устройства, например электронной схемы.
С годами некоторые размеры элементов стали стандартными. Первое, что приходит в голову, — это так называемые линзы с диаметром 21 мм. Этот размер оказался оптимальным для точечных светодиодных источников света, таких как Luxeon Rebel, Cree XP, Osram Oslon или Nichia 119. Характеристики этих линз оптимальны, они не станут лучше, если увеличить диаметр. Если же, наоборот, уменьшить диаметр до 16 мм, то оптическая эффективность по-прежнему будет превышать 90%, однако отношение
кд/лм немного упадет за счет пропорционального увеличения размера осветительного прибора по отношению к диаметру линзы. Дальнейшее уменьшение диаметра до 10 мм и меньше приведет к снижению эффективности, поскольку источник света станет слишком большим по отношению к линзе, и она не сможет ухватывать полный поток. Если быть точными, то в этом случае эффективность составит 80—85%.
Как правило, для многих современных светодиодов диаметр 21 мм оказывается достаточным для большинства приложений. Тем не менее, часто инженеры выбирают линзы меньшего размера, 16 мм или менее 10 мм, чтобы уместить больше светодиодов на той же площади или по другой причине. Следует заметить, что увеличение размера до 26 мм или 30 мм и более требуется обычно только в особых случаях, когда необходимо добиться очень узкого луча света с шириной угла пространственного распределения силы света FWHM 3…4° или в сложных системах, когда свет отражается системой из нескольких оптических элементов.

 

Отражатель или линза?

Для всех современных миниатюрных источников света с 1—4 кристаллами и первичной линзой в качестве вторичной оптики лучше использовать только линзы. Объяснение простое: лучом света, фокусируемым линзой, можно легко управлять. Регулировка производится по крайней мере в трех три плоскостях. У рефлекторов такая плоскость только одна, а у системы рефлекторов — две. Эффективность линз повышается, если оптическая система спроектирована с использованием технологий создания произвольных форм. В общем случае с помощью линзы можно поднять эффективность передачи света до 90% и выше, однако в некоторых сложных задачах удается достичь лишь 85%. С помощью металлических поверхностей коэффициент отражения рефлектора также можно довести до 90%, однако свобода управления лучом здесь гораздо уже, чем в случае линз.
Отражатель следует использовать в габаритных источниках света, или когда источник света составлен из нескольких кристаллов, объединенных общим слоем люминофора. Примером таких источников света является большинство светодиодов Citizen и Bridgelux. Если бы в них применялась линза, она была бы очень большой по размеру. Поскольку это слишком дорого, то целесообразно использовать отражатель или систему отражательных элементов. Тогда недостатки с оптической точки зрения восполняются преимуществами по стоимости и температурным характеристикам источника света.

 

Использование различных типов линз

Довольно часто требуемое распределение света обеспечивается с помощью нескольких стандартных линз. В качестве примера можно привести фары автомобиля, в которых один источник света используется для обеспечения ближнего, дальнего и дневного света. Не имеет смысла решать все три задачи с помощью одного оптического элемента — это очень дорого и сложно.
В архитектурном освещении источники света с несколькими оптическими системами используются тогда, когда необходимо осветить не только фон, но и выделить какой-либо объект. Это можно сделать, например, используя прицельную линзу для объекта и широкоугольные линзы для общего освещения пространства вокруг объекта.
Другой хороший пример — уличное освещение. На рисунке 5 показаны требования, предъявляемые в различных ситуациях.

Рис. 5. Форма луча одиночной линзы (слева) и форма луча при комбинировании линз (справа)

Единое оптическое решение в этом случае подобрать сложно. Вместо этого предлагается набор стандартных элементов, комбинируя которые можно получить любое распределение света. Это более простой и гибкий подход, однако он подразумевает наличие широкого выбора линз, который может предложить только несколько производителей.

 

Стоимость сборки

Одной из важнейших задач при проектировании оптических систем является попытка уменьшить стоимость сборки изделия с сохранением точности расстановки элементов. Общее правило заключается в том, что чем выше оптическая эффективность элемента, тем более чувствителен он к правильному расположению. Другими словами, простота сборки никогда не должна обеспечиваться за счет снижения точности позиционирования. Во многих случаях помогают клей или установочный штифт. Однако с распространением светодиодных источников света возросла потребность в более производительных решениях.
Одним из таких решений стало применение клейкой ленты высокого качества или использование фиксационных крючков с предохранителем, которые пропускаются через печатную плату и пристегивают к ней оптический элемент. Единственная сложность этого способа заключается в достаточно точном определении толщины печатной платы. С другой стороны, это наиболее дешевое решение из всех существующих.

 

Заключение

Оптические элементы для светодиодных источников света играют важную роль. Для разработчиков очень важно правильно трактовать характеристики оптических элементов, чтобы обеспечить лучшие свойства источника при минимальной стоимости. При проектировании оптической системы «с нуля» необходимо предусматривать много факторов и тщательно подходить к анализу параметров того или иного решения. Кроме того, необходимо помнить о разногласиях в информации, предоставляемой различными производителями.

 

Литература

1. Tomi Kuntze. All facts for choosing LED optics correctly//LED professional review, сентябрь-октябрь 2009 г.

Томи Кунтце (Tomi Kuntze) , глава LEDIL OY Получил степень магистра наук в Техническом университете Финляндии в 1993 г. С тех пор он работает с пластмассовыми изделиями, обработанными с высокой точностью. Последние 10 лет целиком посвятил себя разработке оптических систем для светодиодов высокой мощности. Кунце является соучредителем финской высокотехнологичной компании LEDIL Oy, основная деятельность которой связана с разработкой оптических решений мирового уровня для светодиодов.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Автор: Томи Кунтце (Tomi Kuntze) , глава LEDIL OY

Руководителям Обзоры, аналитика Светотехника Конструирование

Комментарии

Прокомментировать Представьтесь E-mail Пароль Неверно введен логин или пароль Заголовок Текст комментария Отправить